鑽石圖片來源:Aaron Celestian, Natural History Museum of Los Angeles County

非洲南部鑽石發現「理論性礦物」 有助了解地球如何保持熱力

最新刊於《科學》的研究指,在非洲南部國家博茨瓦納 (Botswana) 發現的一顆古老鑽石中,含有前所未見的礦物  Davemaotie,該種礦物的發現,將可幫助了解地球深處的化學特性。

該顆寬約 4 毫米、重 81 毫克的墨綠色鑽石,最初是在博茨瓦納中東部城鎮奧拉帕 (Orapa) 的礦場中挖掘出來,當地盛產鑽石,亦有屬於全球最大型的鑽石礦場。有商人於 1987 年,將該鑽石售予加州理工學院一位正在研究鑽石的礦物科學家  George Rossman,但當時無人知道這顆鑽石有多特別,而該顆鑽石經 Rossman 分析數年後,被存放於洛杉磯縣自然歷史博物館至今。

拉斯維加斯內華達大學地球科學研究教授 Oliver Tschauner 的團隊近年在全球尋找所謂的「超深層鑽石」,了解地球深處的化學特性。他的團隊便選上該顆博茨瓦納鑽石。

大多數鑽石在地下 120 至 250 公里處形成,但超深層鑽石則誕生於地球的下地幔,即地表以下 660 至 2,700 公里處。

原為理論性礦物

當 Tschauner 團隊使用 X 光觀察該顆博茨瓦納鑽石時,發現了被困在鑽石內另一種礦物的微小晶體。他們使用激光切割鑽石,並提取這些晶體,然後使用質譜技術分析這些晶體的成份。

團隊用激光切割鑽石提取 Davemaoite (鑽石中黑點) Credit: Aaron Celestian, Natural History Museum of Los Angeles County

結果發現這些微小的晶體是矽酸鈣 (calcium silicate) 的一種形式,理論上存在於下地幔中,但之前從未真正被觀察到過。其中的分子呈特定的立方排列,稱為鈣鈦礦 (perovskite) 結構。

這種特殊的鈣鈦礦的原子組成主要包含鈣、矽和氧,只能在下地幔經歷的極端條件下形成,該位置的壓力是地球表面壓力的逾 20 萬倍。在地表條件下,矽酸鈣通常被是一種稱為矽灰石 (ollastonite) 的白色礦物形式出現,並具有針狀晶體。

Tschauner 團隊最終將這種新的矽酸鈣礦物命名為 Davemaoite,以紀念華盛頓特區卡內基科學研究所地球物理實驗室負責人毛河光 (Ho-Kwang “Dave”Mao) 對高壓技術發展的貢獻,這亦是第 2 種高壓礦物以毛的名字命名。對上一次用毛名字命名的礦物為 Maohokite ,該礦物由中國團隊 2018 年在隕石坑中找到。

通常情況下,如果將 Davemaoite 帶到地球表面,由於壓力大幅下降,其晶體結構會破裂。然而,因為是次樣本被困在堅硬的鑽石中,所以得以保存下來,而其形成的時間可能需要 1 億到 15 億年。

Tschauner 指,當團隊鑽開鑽石時,Davemaoite 樣本曾保持完整約一秒鐘,然後在顯微鏡下膨脹和隆起,基本上變成了玻璃。

有助保持地球熱力

團隊估計 Davemaoite 佔地球下地幔組成成份的 5% 左右,並且很重要,因為從理論上而言,這種礦物還含有放射性元素,如鈾、釷和鉀 40,這些元素在地球衰變時會加熱地球。 如果沒有這些放射性元素,地球可能已被冷卻。

換言之, Davemaoite 是管理熱量如何穿過地球深處,以及熱量如何在地幔和地殼之間循環以驅動板塊構造等過程的重要參與者。

無參與研究的墨爾本大學地球科學系教授 David Phillips 指,在博茨瓦納鑽石中發現的 Davemaoite 還含有一些鈉和鉀,令人驚訝,因為這些元素被認為主要存在於地殼中,而非地幔深處,顯示地殼表面成份會被回收到地幔。

Tschauner 正在繼續尋找超深層鑽石,希望能找到更多隱藏的礦物。不過,這是一個艱鉅的過程,因為沒有簡單的方法可以區分產地深淺的鑽石,也無法知道在哪裡可以找到深層鑽石。

來源:
New Scientist, New mineral davemaoite discovered inside a diamond from Earth's mantle, 11 November 2021
Nature, Diamond delivers long-sought mineral from the deep Earth, 11 November 2021

報告:
Tschauner, O., Huang, S.C., Yang, S.Y. & et al. (2021). Discovery of davemaoite, CaSiO3-perovskite, as a mineral from the lower mantle. Science vol374 Issue6569, pp891-894. doi: 10.1126/science.abl8568

文/Alan Chiu

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